堰塞湖水文应急监测方案的设计

张孝军

（长江水利委员会水文局，湖北 武汉 430010）

0 前言

地震、滑坡、泥石流或火山熔岩流等自然地质灾害，常常会引起山崩滑坡体等堵截山谷、河谷或河床，贮水而形成蓄水量较大的湖泊，称为堰塞湖。有些堰塞湖属于高危型堰塞湖，往往在形成后几天至几年，甚至上百年才会被冲垮，其蓄水量大，落差大，当受到漫溢水体的冲刷、侵蚀、溶解，堰塞体崩塌，堰塞湖中储蓄的水量便倾泻而出，对下游形成垮坝式的洪灾，危害极大。例如：藏东南波密县的易贡错在 1990 年由于地震影响暴发了特大泥石流，堵截了乍龙湫河道而形成堰塞湖；八宿县的然乌错 1959 年暴雨引起山崩堵塞河谷形成堰塞湖；2008 年汶川大地震形成的唐家山堰塞湖，此堰塞湖长 803 m，宽 611 m，高 82～124 m，估算最大可蓄水量约 3 亿m3，是大家最熟悉的高危型堰塞湖之一。

对于高危型堰塞湖必须采取措施，以便消除或减小其危害。为分析及预报堰塞湖天然坝的稳定性、可能的破坏方式，判别堰塞体风险，分清灾害等级，有针对性地做好预案，必须对堰塞湖及时实行水文监测。水文监测的主要任务是：在工程排险前期，收集堰塞湖的基本几何特征，为研究制定工程排险措施提供基本资料；在工程排险施工阶段，从堰塞湖库区入流开始，全程监测堰塞湖上游来水及库内水位变化情况，为施工组织调度提供水情依据；在塞湖排险泄流阶段，全程监测溃口及通口河流域沿程主要集镇、水利工程等重要关注点的洪水变化，为不同级别预警的启动与解除提供决策依据。

1 水文应急监测方案设计的原则

水文应急监测方案应与应急处置总体安排相协调，观测设备和技术手段应先进，监测方法应便捷、快速、安全。

1.1 及时准确获取信息的技术方法

堰塞湖的形成突然，易于变化。要掌握其形成、变化过程，就必须获取及时准确的水文应急监测信息，以便进行堰塞湖溃决风险分析，制定堰塞湖溃决临灾预案，对堰塞湖综合治理。

要获取及时准确的信息，除采用遥感、遥测或自动采集数据等技术，还可以采用人工数据采集配合现代信息传输方式达到目的。但是，对于水文应急监测而言，以采用自动或半自动的远距离监测方法为主。

1.2 安全简便的监测手段

堰塞湖崩塌堆积体中，一般含粘粒很少，主要由碎石、块石、巨石组成，透水性好，堆积扇面坡度基本为自然休止角。常规的监测方法，都需要人员进入现场冒险作业，存在极大的安全隐患。在进行应急监测方案设计时，首先应将安全放在第一位。其次，考虑到操作的简便性，尽量缩短人员在此区域的停留时间，确保安全，这就需要借助现代科技与监测手段，采用非接触、远距离（遥测）的监测方式。最后，在充分考虑先进性的基础上，还要确保监测技术的可操作性，每个项目的监测方法、采用的技术措施，都必须成熟、有把握，并注重同一项目多种监测方法的相互验证比较，确保资料准确可靠。但是，仪器设备的配置一定要与社会经济的发展与科学技术的进步相适应。

1.3 监测信息应构成必需的完整体系

水文应急监测实施的区域，地质情况复杂，安全难以保障。对监测信息不能求多求全，应力求精简，只要能够满足或基本满足处置堰塞湖的信息需求即可。也就是说，要开展有针对性、有目的性的监测，使所有监测信息构成必需的完整体系。

2 水文应急监测的技术设计

2.1 技术方法

对于堰塞湖，由于测验条件恶劣，常规手段根本无法完成，必须采用新仪器、新技术，才能满足排险、避险对水文工作的要求。

2.1.1 应急水文勘查

总的工作流程：先用 GPS 静态建立测区总体控制；然后用 RTK (实时动态测量) 在地域开阔的地方进行碎部测量，对陡壁和树林地区则用全站仪和免棱镜全站仪进行补测，从而达到快速、准确的目的。

对堰塞湖区的地形勘测，包括：陆上地形与水下地形，进行测绘，计算堰塞湖回水长度、水面平均宽度、平均水深、湖前水面到坝顶的高度等。

对堰塞湖的上、下游区域进行调查，并测量堰塞湖上下游河段的典型断面。弄清临近河段的实际情况，便于应急监测站点的布设，以及系统资料的分析。

对溢流口的宽度、深度，口门流速等，进行实测，掌握进出堰塞湖的流量和测时水位、蓄水量。

在堰塞体区域采集泥沙样本，分析其物质组成，对其进行泥沙颗粒级配分析，并收集堰塞湖关键区域的影像、图片资料。

2.1.2 水文监测站网布测

在堰塞湖的上、下游，以及坝体区域，分别设立水文站网，以定点监测的方式，实施动态的水文监测，控制上游来水、区域降水与堰塞湖及下游的水位变化，收集实时的水文监测信息。

由于应急监测站点都在峡谷地段，交通、生活条件不便，水文技术人员难已驻站观测，因此水文监测方式采用巡测与委托相结合的方式。

2.1.3 现场图像监视

在堰塞湖上、中、下游的各关键位置，设置动态监视摄影、照相机，实施全天候即时水位变化、溢流情形、地形地貌变化的图像监视。

2.2 监测手段

2.2.1 勘查

由于滑坡体形成不久，新的地质平衡刚刚形成，加上其上游的堰塞湖库容正在不断增大，随时都有可能溃堤。因此，主要设计采用免棱镜全站仪配电子图板现场成图的 GIS 系统，测出滑坡体的表面地形。根据滑坡体下游两岸的地形测出坡比和河底宽，推出滑坡体顺江 2 个面的地形数据；滑坡体迎水面的地形数据根据露出水面部分坡比推算，背水面地形数据是实际测得的，最后就是滑坡体底面地形数据，方法是测出滑坡体下游天然河流的比降和河底宽，再用比降和河底宽推出滑坡体底面数据，有了 5 个面的数据，用 GIS 软件计算出堰塞湖的滑坡体体积。

查勘手段采用的主要仪器设备，有 GPS、免棱镜全站仪、手持式雷达电波流速仪、计算机等，主要功能与作用分别如下：

（1）GPS，静态控制网施测堰塞湖区域的首级控制，GPS RTK 法施测地形散点、规划水下断面法地形测量； RTK 系统由基准站和流动站（星站 GPS的基准站由服务商提供）组成，建立无线数据通讯是实时动态测量的保证，其原理是取点位精度较高的首级控制点作为基准点，安置 1 台 GPS 接收机作为基准站，对卫星进行连续观测，流动站上的接收机在接收卫星信号的同时，通过无线电传输设备接收基准站上的观测数据，由随机计算机根据相对定位的原理实时解算显示出流动站的三维坐标和测量精度。这样用户就可以实时监测待测点的数据观测质量和基线解算结果的收敛情况，根据待测点的精度指标，确定观测时间，从而减少冗余观测，提高工作效率。

（2）免棱镜全站仪，可对人员不能到达的地方实施控制测量，包括滑坡体及溃口地形观测，水位接测。免棱镜全站仪的种类繁多，但测距结构基本相似，测距结构原理如图1 所示。

图1 免棱镜全站仪的测距结构

激光测距：该系列的测距仪中有 2 个发射管，一个是用于测量反射棱镜或反射板的红外激光发射管，发射的波长为 780 nm，用单棱镜可测 3 km 精度达到 ±（2 + 2×10-6）mm，D 级；另一个是用于免棱镜测量的红色激光发射管，发射的波长为 670 nm，不用棱镜可测 1200 m，精度达到 ±（3 + 2×10-6）mm，D 级。这两种测量模式的转换可通过仪器键盘上的操作控制内部光路来实现。而且 2 种测距方式的不同的常数改正会自动修正到测量结果上。

激光测高：利用全站仪测定的距离、天顶距即可计算测点的高程。

（3）手持式雷达电波流速仪。在堰塞湖泄洪过程中，由于流速变化大，溃口发展快，随时存在崩塌的危险，常规水文监测无法实施；同时在坝体渗透量的监测中，为了避免疫水感染，测量人员必须尽量避免接触疫水，此时手持式雷达电波流速仪可很方便施测流速、流量。电波流速仪利用多普勒效应测速，仪器发射电磁波，在被测物表面发生反射。当观察者（仪器）和被测物之间发生相对运动时，会引起反射电磁波的频率发生改变，产生多普勒频率偏移。在满足施测条件下，此多普勒频移只与被测物（水体）运动速度有关，且只与水体表面流速有关，与水下漂浮物无关。

2.2.2 站网监测

站网监测采用的仪器设备有：水位、雨量自动测报仪，流量监测设备设施，水文监测信息传输网络等，主要作用分别如下：

水位采集用雷达水位计和压力水位计，雨量采集用翻斗式雨量计，采集信息均采用自动遥测，信息传输采用 GPRS（有条件时）或卫星通讯；流量监测采用常规法，汛期主要以手持式雷达电波流速仪测流，枯期巡测时用常规流速仪进行比较监测，定期或不定期地使用（自定义高程）免棱镜全站仪或 GPS 测量系统设备进行大断面测量；水文监测信息传输网络主要指专用和公用网络，对采集到的数据进行分析、处理、存贮，为预警决策提供数据依据。专用网络，包括卫星、微波、短波通讯，Internet 网络；公共网络，包括有线、无线电话网络，公用 Internet 网络等。

2.2.3 图像监视

视频监视常采用 GP 应急影像传输系统，该系统由卫星影像系统和 GPRS 影像系统构成，其中卫星影像系统是主系统，GPRS 影像系统为备用系统。系统图像数据主要通过卫星信道传输，系统中心站通过 Internet 进行数据接收。

2.2.4 通讯保障

一般地区，通信系统采用电话、手台（对讲机）方式互为备份方案；在条件特别的地区新建卫星电话，并配备通信设备电源，完善通信保障系统。形成卫星电话、手台与移动电话相结合的应急通信系统网络。

3 监测的主要内容

3.1 堰塞体监测

对堰塞湖天然坝的特征进行调查与研究，以充分掌握堰塞湖天然坝的几何物理特性。监测的主要方式为：初期以现场人工表观监测为主，同时通过遥感技术等手段，采用高分辨率的卫星遥感数据和地形图对堰塞湖进行监测。

3.1.1 堰塞湖区域几何数据的获得

通过普通测量等基本手段，获得堰塞体规模的基本数据。有条件时，也可获取堰塞湖所在区域的卫星数据。

堰塞体规模的基本数据，包括：堰塞湖长、宽、高、最大可蓄水量，以及堰塞体过水口门宽度、深度、流速等的测量方法，通常采用地形法，测图比例为五百分之一。

测量方法：首先用 GPS 接收机采用静态控制网的方法，把平面和高程从已知点引测到滑坡体附近地区，再用全站仪采用免棱镜方式对滑坡体及溃口地形进行观测。陆上地形采用全站仪极坐标法或 GPS RTK 法现场实测，特殊地形可采用免棱镜全站仪施测；水下地形采用断面法。横断面测量采用 RTK GPS、测深仪、计算机、导航软件组成的测绘系统测量；水位接测度采用水尺观读或免棱镜全站仪施测。

当只有手持式 GPS 与手持激光测距仪，没有船供测量用时，具体测量方法是：沿湖岸边手持 GPS测量堰塞湖的边长；同时，隔一定距离用手持激光测距仪测 1 个水面宽。根据滑坡体下游天然河流的比降，滑坡体底面顺江长度、滑坡体迎水面和背水面的水位差，计算出坝前水深；再根据坝前水深、断面间距、比降依次算出各个断面的水深，一直到湖尾，然后实测 1 个水深以检验；实测坝下游河底宽（近似于坝前河底宽）、水面宽和水深，计算出坝前断面面积，再用坝前断面的河底宽和水面宽的比例推算出每个断面的河底宽，一直到库尾断面进行检验。最后，根据相邻两个断面面积和断面间距算出各段的体积，每段体积相加就得到堰塞湖库容。

堰塞体出流口门宽度采用全站仪施测，口门流速采用手持式雷达电波流速仪施测。

3.1.2 堰塞体物质组成

堰塞体的物质组成，决定其在水流等外力因素作用下的表现。因此，监测堰塞体的物质组成非常必要。

在堰塞体区域，按照水文泥沙河床质的采样方法采取一定数量具有代表性的沙样，进行泥沙颗粒级配分析。同时，分析其物质组成，包括：岩块、碎石、卵石、砾石乃至泥土和植物等。必要时，可对组成物质进行力学性质分析与试验，如：粒径、密度、渗透系数、凝聚力、内摩擦角等。

3.2 水文应急监测网络的建立

为确切掌握堰塞湖水位、流量、降水量的变化，提供实时信息作为安全或警戒的参考。应在堰塞湖的上、下游，垮塌区域分别设置水文监测站点，主要监测水位、流量、降水量，并采用 GPRS 或卫星通讯的传输方式，将水文监测信息及时地传输到地面信息紧急应变处理中心。

水文监测站网应充分利用现有的水情站，当现有的水情站或其观测项目不能满足水文预报、溃口洪水过程监测和应急处置的要求时，应增加测报项目，增建水情站点或改变位置。

3.2.1 上游来水与降水量监测

上游来水与降水量监测信息，可以分析区域的来水特性，预测堰塞湖的入湖流量及湖水位的变化趋势与幅度。

在堰塞湖上游的主要支流，分别设置水文站，主要监测水位、流量、降水量。形成上游来水情况、降水量监测网络。水位、降水量通常采用自动遥测，信息传输采用 GPRS（有条件时）、卫星通讯。流量施测，有条件时采用实测；无条件时，可采用水文分析并经上、下游临时断面实测流量检验的水位流量关系查算。

3.2.2 堰塞湖区域的水位与降水量监测

在堰塞湖区域和堰塞体下游附近等较为稳定岸边，分别设置水位站，主要监测水位、降水量。形成堰塞湖区域的水位、降水量监测网络。水位、降水量采用自动遥测，信息传输采用 GPRS（有条件时）、卫星通讯。有条件时，最好分别设立备用监测站，以防自然因素造成监测站点失效。也可同时采用雷达、卫星等对堰塞湖区域进行降水量监测。

需要特别注意的是：由于应急事件处置数据的重要性和准确性，以及仪器安装的紧迫性，应选择易于安装的雷达式和压力式水位计。在堰塞湖区域的重要遥测监测点应进行冗余设计。即：采用双传感器设计，确保数据的可靠；采用双站间隔安装，同时监测的系统配置，以确保系统连续可靠运转。

3.2.3 下游的水文因子监测

下游的水文因子监测，主要包括水位、流量、降水量，可以分析堰塞湖的下泄流量。

在堰塞湖下游的适当断面，设置堰塞湖出口水文控制站，主要监测水位、流量、降水量。水位、降水量通常采用自动遥测，信息传输采用 GPRS（有条件时）、卫星通讯。流量采用实测。

4 监测信息的汇集与处理

在堰塞湖处置指挥中心，建立至少 2 个（保证数据存在多个备份，提高系统的可靠性）地面水文应急监测信息接收处理中心，通过 GPRS 或卫星通讯接收水文应急监测信息，通过 Internet 接收视频监视数据。对实时水文监测信息、视频监视数据进行综合分析处理，包括：崩塌堆积体及山体稳定性与发展趋势分析、堰塞湖发生溃决洪水影响分析、应急处置方案的编制等，为堰塞湖的处置提供基础信息支撑。

5 质量与安全管理

5.1 监测质量管理

除了事先技术指导、技术交底外，质量管理还要实行“三检制”，即：对作业质量采用全过程自检，过程中抽检，成果提交前复检。各外作业组根据任务和应急水文监测技术方案，制定详细的观测实施细则。作业时，坚持现场检查，做到“三清四随”，即“点点清、站站清、段段清，随测、随算、随整理、随分析”；作业组长与质量检查人员，对作业过程进行抽查，控制工序产品的质量；专家对监测成果进行综合分析、研究，确保应急水文监测成果的质量。

5.2 安全保障管理

堰塞湖应急水文监测应高度注重监测过程中的安全管理，确保应急水文监测的安全有保障。

制定切实可行的安全保障措施，并狠抓落实。加强安全生产的宣传教育，全体参与人员必须服从指挥，团结配合，齐心协力。测前动员时，将应急水文监测方案与安全保障实施方案同时贯彻落实；强化安全生产过程控制。

野外作业过程实行逐级定时汇报制，使突击队与指挥中心之间、突击队员之间保持密切联系，每个参与者都时刻注重安全生产；加强生产过程中突击队员之间相互的安全检查与提醒，消除一切影响安全的因素；相互协作配合，为对方提供安全瞭望、监视，保证测量过程中的人员安全。

6 结语

对高危型堰塞湖处置，必须依赖于这一区域的水文监测资料。由于高危型堰塞湖区域的特殊地质环境，在进行水文应急监测方案设计时，应符合及时准确获取信息的技术方法，安全简便的监测手段，监测信息应构成必需的完整体系的设计原则；针对堰塞体监测、堰塞湖区域的水文应急监测网络的建设、堰塞湖关键地点的实时视频监视，采用与社会经济的发展、科学技术的进步相适应的监测手段，获取必要而完整的水文监测信息，为防灾减灾提供水文应急监测信息的支撑。

[1]聂高众，高建国，邓砚. 地震诱发的堰塞湖初步研究[J].第四纪研究，2004，(3)：293～301.